無電解 Ni めっきした WC 粉末を用いて作製した WC-(Fe-Ni)合金の摩耗特性
倉本 英哲、隠岐 貴史、安保 弘利 1、松木 一弘 1
無電解Niめっきを施したWC粉末（WC/Ni粉末）と純鉄粉末の混合粉を放電焼結することで作製したWC/Ni-ｘvol.%Fe（x=0～50）超硬合金の乾式摺動特性を調査した。摩耗試験はリングオンディスクタイプで行い、試験中の押し付け荷重（F）は一定とし、F=98Nと19.6Nの2種類の試験条件とした。得られた結果は以下のとおりである。
定常摩耗の領域で、比摩耗量（Ws）はリングの押し付け荷重に関係なく、材料ごとで一定の値を示した。得られた比摩耗量について、結合相およびWC粒子それぞれのマルテン
ス硬さ（H1およびH2）とWC粒子体積率Vf(WC)を用いることで、下式によって整理することができた。

Ws =

C1
C
(1 − Vf ( WC) ) + 2 Vf ( WC)H1H2

ここで、C1およびC2は、それぞれ結合相およびWC粒子の摩耗係数であり、単純には小さいほど耐摩耗特性に優れることを示す。本研究において得られたC1とC2の間には１オーダーの差があり、WC粒子の方が優れるものであった。
キーワード：WC系超硬合金、放電焼結、Fe-Ni結合相、比摩耗量

前報(9)で、無電解NiめっきしたWC粉末とFe粉末の1. 緒言

混合粉を用い、焼結温度を一度923Kで2時間保持し、周期表Ⅳa～Ⅵa族に属する9種類の金属の炭化物その後1273Kに昇温して30分保持するという放電焼粉末を鉄、コバルト、ニッケルなどの鉄族金属を結結プロセスによって、非常に均質な組織形態で、最合相として焼結結合した合金を総称して超硬合金と大抗折力が1.9GPaになるWC-(Ni-Fe)系超硬合金の作いう。超硬合金は常温において高硬度であり、優れ製が可能となった。作製したWC-(Ni-Fe)系超硬合金

た耐摩耗性を示す。このような特性から、軸受けやは、Feの添加量を体積率で10～50vol.%の範囲でコンメカニカルシールおよび機器の摺動部等に使用されトロールしており、最大抗折力は鉄の添加量がる。

30vol.%のときに最大となった。これは、ちょうど延性脆性遷移の境界となる体積率であった。

一般に実用化され、流通している超硬合金は、Coをバインダー相とするものが多い。これは、Coをバ炭化物系サーメット等は、鉄等の一般的な金属とインダーとした超硬合金の機械的性質をはじめとす耐摩耗性を比較した場合はるかに優れている。一般

る諸特性や材料としての信頼性において優れるため的超硬合金も含めて、炭化物系サーメット等を金属である。しかし、Coはその価格や流通の不安定さか系の結合相で焼結結合したものは、基本的に金属‐ら、代替えの結合相の登場が望まれており、結合相セラミックス系複合材料として考えることができ、をNiやFe等に代替えする試みが多くの研究者によっこのとき、炭化物系サーメットの体積率が、その合(1)-(8)て行われている。

金系の耐摩耗特性に直接的に影響すると考えられる。

1 広島大学大学院工学研究科- 32 -

前報において作製した WC-(Ni-Fe)系超硬合金で、Fe本研究において、純鉄粉末の体積比は、0～50vol.%の添加量を変化させると、結果として WC の体積率とした。作製した試料の標記名とその配合比（体積が変化することになる。本報告では、作成した比および重量比）を表 1 に示す。

WC-(Ni-Fe)系超硬合金について、バインダー相の特図 1 に作製した合金 WNF（0～50）の顕微鏡組織性に注目しながら、その乾式摺動特性について調査観察結果を示す。Fe の添加量が増えることで、相対した。

的な WC 粒子の量は減っていき、また、WC 粒子同士の接触の数は小さくなっていることが確認される。
2. 実験方法

(a)

(b)

(c)

(d)

2.1 試験片
純度 99.9％、粒径 6.4μｍのアライドマテリアル㈱製 WC 粉末に無電解 Ni メッキを施したもの（以下WC/Ni と表す）と純度 99.9％、粒径 3-5μｍの高純度化学研究所製純鉄粉末を使用した。
無電解 Ni メッキ
は奥野製薬製の低 P タイプめっき浴のトップニコロン LPH を用いた。メッキはバッチ処理とし、膜厚が0.2～0.3µm となるように調整し、WC に対して(e)14wt.%（22vol.%）の Ni（-P）量になった。なお、施工したメッキの Ni に対する P 量は 5wt.%であった。
WC/Ni 粉末および純鉄粉末を所定の配合比で湿式混合、秤量し、放電焼結によって 12×52×t4（mm）20μmの板状焼結体を作製した。放電焼結は、均質焼結促進を目的とする予備焼結として、焼結圧力 40MPa、on/off 時間 100ms、電流値 100A の矩形波パルス通電

図 1 作製した試験片の顕微鏡観察像(a)WNF10、(b)WNF20、(c)WNF30、焼結を 900 秒間行った後、焼結圧力はそのままとし(d)WNF40、(e)WNF50て、焼結温度 923K で 120 分、引き続いて 1273K で30 分の連続パルス通電焼結を行うプロセスとした。
作製した板状試験片の両表面はダイヤモンド砥石による研削加工を施した。

表 1 試料成分の体積比と重量比（％）

Representation

SamplesVolume Ratio (vol.%)
WC : Ni : Fe

Weight Ratio (wt.%)
WC : Ni : Fe

WNF0
WNF10
WNF20
WNF30
WNF40
WNF50

WC/Ni
WC/Ni-10vol.%Fe
WC/Ni-20vol.%Fe
WC/Ni-30vol.%Fe
WC/Ni-40vol.%Fe
WC/Ni-50vol.%Fe

78：22：0
70：20：10
62.4：17.6：20
54.6：15.4：30
46.8：13.2：40
39：11：50

86：14：0
80.8：13.3：5.9
75.5：12.2：12.3
69.4：11.2：19.4
62.7：10.1：27.2
55.2：8.9：35.9- 33 -

2.2 摩耗試験って算出した値である。

摩耗試験方法は、リングオンディスク方式の大越式摩耗試験機を用いて行った。大越式摩耗試験は回転円盤（SUJ2製）を平板試験片に押し付けて摩耗さ3. 実験結果および考察せる摩耗試験である。なお、回転円盤は熱処理を行わず、鋼棒より切り出したままのもの（焼きなまし

図3に実際に行った摩耗試験における摩耗距離材）を用いた。その硬度はHRC10相当である。この（L）と摩耗量（W）の関係を示す。

摩耗試験機と試験方法の概略図を図2に示す。
1.2(a)
1
Wear Loss , W/ mm

3Specimen

Rotation direction

0.8
0.6
0.4

WNF10WNF20
WNF30
WNF40
WNF500.2

Strain gage0Rolling ring

02 10664 106 1068 10671 10Sliding Distance , L / mm

Pen recorder

1.2Pulley

(b)

WNF10
WNF30
WNF50

Wear Loss , W/ mm

31Weight

図2 摩耗試験機と試験方法の概略図

0.80.60.40.20本研究では、図2に示すようにおもりを用い、リン02 10664 106 1068 10671 10グを平板試験片に押し付ける荷重を一定とした一定

Sliding Distance , L / mm

荷重条件での試験とした。このときの押し付け荷重

図 3 摩耗距離と摩耗量の関係（F）は98Nおよび19.6Nとした。また、摩耗速度は(a)F=98N, (b)F=19.6N0.59m/sを選択し、試験片に関わらず一定とした。な
図3から、摩耗距離の増加に伴い、摩耗量は増加し、お、試験はすべて乾式で行った。
本摩耗試験においては、試験終了後の摩耗痕幅

また、押し付け荷重が大きくなると、摩耗距離に対（b）の測定を行うことで、摩耗量（W）を以下の幾する摩耗量が増加することが分かる。このとき、そ何学的近似式によって算出することができる。

れぞれの試験片、試験条件ごとに、摩耗量は、摩耗距離に対して比例関係を示している。

Bb 3
W =
12 r

図4は、図3（a）よりWNF40の試験結果のみを抜（1）粋したものである。一般的に、摩耗量（W）と摩耗距離（L）および押し付け荷重（F）の間には、以下

ここで、ｒおよびBは、それぞれ回転円盤の半径の関係が成り立つことが知られている(10)。

（mm）および回転円盤の厚さ（mm）である。本研究において、r=15、B=3.0である。本報告における摩W = Ws・F・L

耗量は試験終了後に摩耗痕幅を測定し、式（1）によ- 34 -（2）図5にF・LとWの関係を示す。やはり、F・LとWの間に直線関係が成立していることが確認される。

1

このとき、式（2）より、直線の傾きはWsに相当し、0.8
Wear Loss , W/ mm

3

また、F・L＝0の時のWはW0になる。求めたWsおよびW0を表2に示す。

0.6
W=Ws・F・L+W0
0.4

1.2(a)
1
Wear Loss , W/ mm

30.2
Initial Wear,W000

1 1062 1063 1064 1065 106Sliding Distance , L / mm

0.8
0.60.4

WNF10
WNF20
WNF30
WNF40
WNF500.2

図4 比摩耗量と初期摩耗量0(図は WNF40, F=98N の試験結果)

01 108882 103 104 10885 10F .L , N mm-1

ここで、Ws は比摩耗量である。図 3、図 4 に示され1.2る実験結果において、L=0 の時に W=0 となっていな

1-1

Wear Loss , W/ mm3(b)い。物理現象としては L=0 の時に W=0 となるはずであり、実験結果において、このことが達成されていないことは、本磨耗試験方法においては、試験開始直後の非常に短い時間内に一気に摩耗が進行する

0.80.60.4WNF10WNF30WNF500.2

過程があることを示している。これは L=0 の時の試0験片（板）とリングとの接触方法において、断面で

01 108882 103 104 10885 10F .L , N mm
-1

見たときには点接触となっており、その接触圧力は-1無限大となっている。また、試験開始からまもなく

図 5 F・L と摩耗量の関係

は非常に接触応力が大きい状態となっていることが(a)F=98N, (b)F=19.6N考えられ、このようなとき接触面においては、摩耗というよりも破壊が起こっているのではないかと推図6にWsとWC粒子体積率の関係を示す。

測する。ただし、この瞬間的な破壊の後は、定常的リングの押し付け荷重に関わらず、比摩耗量はな摩耗状態となっていると考えることができ、初期WC粒子体積率のみに依存して一定の値を示し、まの破壊現象による一気の摩耗増加量を初期摩耗量た、WC粒子体積率の増加に伴い比摩耗量は減少し（W0）として、式（1）を本研究においては式（2）た。に置き換えて、実験結果を整理することとする。
W = Ws・F・L + W0

Wsは、ブリネル硬さやビッカース硬さの値を用いて、式(4)の形で表される。

（3）

なお、定常摩耗過程においては、式（1）と式（2）Ws＝C / H（4）のWsは同じ値になる。また、W0の物理的な意味は、ここで、Cは摩耗係数、Hはブリネル硬さもしくはビ接触圧力が非常に大きな範囲においての表面層近傍ッカース硬さの値である。式(4)は、降伏応力に関連での破壊の量を表しているもので、試験片の強度にする形で、相対的な表現による押し込み硬さを使用依存する定数となる。
- 35 -表 2 比摩耗量と初期摩耗量
F=98N
Samples

F=19.6N-9Ws(×10 mm2/N)

W0(mm3)-9Ws(×10 mm2/N)

W0(mm3)

WNF101.085

0.294

1.038

0.089

WNF201.2110.292

――――

――――

WNF30

1.555

0.263

1.515

0.119

WNF401.8300.231――――

――――

WNF50

2.289

0.085

2.1620.1363Ws =-92

Specific wear rate , Ws / 10 mm N

-1

F=98N
F=19.6N
Eq.(5)

2.52（5）

C1およびC2は、それぞれ結合相およびWC粒子の摩耗係数であり、H1およびH2はそれぞれ結合相およ1.5

びWC粒子単体のマルテンス硬さである。下表に前1報 (9) で報告したそれぞれの試験片の結合相および0.50C1C(1 − Vf ( WC) ) + 2 Vf ( WC)
H1H2WC粒子のマルテンス硬さを示す。
354045505560657075

表3 結合相およびWC粒子のマルテンス硬さ(9)WC Volume Fraction , Vf(WC)sampleHM(MPa)WC powder16910

することで、比摩耗量を標準化しようとしているとBinder phase of WNF04695考えることができる。ここで、本研究における試験

Binder phase of WNF104340

片は、大まかには WC 粒子と金属結合相からなる二Binder phase of WNF203491

相の複合的な材料であり、それぞれの相は異なる硬Binder phase of WNF303254

さを示す。

Binder phase of WNF403164

Binder phase of WNF503789

図 6 WC 粒子体積率と比摩耗量の関係

ここで、式（4）において、それぞれの体積率を考慮する形で、比摩耗量についての複合側を考え、式（5）を提案する。ただし、この式においては、各このマルテンス硬さと式（5）によって、Wsを算相における硬さの値が必要である。ブリネルもしく出した結果を図6中に示す。結合相およびWC粒子のはビッカース硬さについては、他の影響を排除した摩耗係数を、それぞれC1=1.16×10-5およびC2＝0.28

形での各相単体の硬さの値を示すことは不可能であ×10-5とするとき、式（4）は実験結果とよく一致する。そこで、硬さの値について、超微小硬さ試験にることが確認される。C1およびC2の物理的な意味合よるマルテンス硬さを用いることとする。マルテンいについては、今後の検討課題であるが、式の展開

ス硬さについても、やはり押し込み硬さ試験であり、からも、単純には小さいほど耐摩耗特性に優れるとこれも材料の降伏応力と関係し、相対的硬度値を示

言え、WC粒子とFe-Ni系の金属結合層を比較したとすものである。

き、1オーダーの差があった。なお、本研究における- 36 -

C1、C2は、実験結果より重回帰分析を用いて算出しど、粒子割れの起こる可能性は大きくなり、割れたたものである。

粒子については、摩耗粉として排出されることで摩図 7 に WC 粒子体積率と初期摩耗量（W0）との関耗量が大きくなる。また、WC粒子が多いほど、WC係を示す。

粒子同士の接触部の数は多く、これはクラック伝播のサイトとして働き、発生したクラックが伝播しやすいことが考えられる。本研究において、F=98Nの0.4場合、初期摩耗領域において、粒子割れの起こってF=98N
F=19.6N

0.35

うな組織条件で、摩耗量が大きくなっていたと考え

0Initial Wear Loss , W / mm3

しまうような負荷領域とクラックの伝播促進するよ

0.3
0.25る。実際に、図8に示す摩耗粉のSEM像において、0.2

定常摩耗状態においては微粉状の摩耗粉が排出され0.15ていたが、初期摩耗領域においては、ブロックのよ0.1

うな状態で非常に大きな摩耗粉が排出されているこ0.05とが確認される。

00.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75
(b)

(a)

WC Volume Fraction , Vf(WC)

図 7 WC 粒子体積率と初期摩耗量の関係

WNF50（Vf(WC)=0.39）の試験片以外では、リングの押し付け荷重（F）が大きいときにW0は大きくなっている。F=19.6Nのとき、WC粒子体積率（Vf(WC)）

図 8 WNF30 を F=98N の条件で摩耗試験した際に排出が大きくなるほど、W0は小さくなっている。しかし、された摩耗粉の SEM 観察像

F=98Nの場合には、Vf(WC)が大きくなるに従い、W0(a)摩耗距離が 0.02×106mm 時（初期摩耗）も大きくなっている。

(b)摩耗距離が 1.77×106mm 時(定常摩耗)

ここで、前報(9)の試験結果より、曲げ弾性率（Eb）は、Vf(WC)が大きくなるほど、大きくなる。試験片自体の破壊が発生しない場合、Ebは大きくなるほど圧4. 結言縮強度は大きくなると考えられる。前述のように、W0が試験片強度に依存すると考える場合、特に圧縮無電解Niめっきを施したWC粉末（WC/Ni粉末）

強度に依存するものであり、これは接触部とその近と純鉄粉末の混合粉を放電焼結することで作製した傍が、接触によって変形し、これとリングの相対運WC/Ni-ｘvol.%Fe（x=0～50）超硬合金の乾式摺動特動によって、破壊していくことが考えられる。この性を調査した。
得られた結果は以下のとおりである。

とき、単純にはVf(WC)は大きくなるほど圧縮強度が大（1）定常摩耗の領域で、比摩耗量（Ws）はリングきくなるために、変形と破壊による初期の摩耗量にの押し付け荷重（F）に関係なく、材料ごとで一定ついては小さくなると考えられる。F=19.6Nの場合の値を示した。このとき、摩耗量（W）は、以下のには、この傾向が実験結果として表れている。

式（1）によって整理された。

押し付け荷重が大きい場合に、その接触圧力は大W=Ws・F・L+W0

きくなり、WC粒子については、粒子割れ等が起こることが考えられる。このとき、WC粒子が多いほ（1）

ここで、Lは摩耗距離であり、W0は定常摩耗状態- 37 -